Видове слънчеви батерии: сравнителен преглед на конструкции и съвети за избор на панели

Алтернативната енергетика се развива максимално в Европа, показвайки с резултатите си своята перспективност. Появяват се нови видове слънчеви панели, повишава се тяхната ефективност.

При желание да се осигури работа на промишлена сграда или жилищно помещение за сметка на слънчевата енергия, е необходимо предварително да се научи за разликите на оборудването, да се разбере кои слънчеви панели са подходящи за климатичните условия на определен регион.

Ние ще ви помогнем да се ориентирате по този въпрос. В статията е разгледан принципът на работа на фотоволтаичните преобразуватели, направен е преглед на различни видове слънчеви панели с посочване на техните характеристики, предимства и недостатъци. След като се запознаете с материала, вие ще можете да направите правилния избор за оборудване на ефективна слънчева система.

Принцип на работа на слънчевите панели

По-голямата част от слънчевите панели са във физически смисъл фотоволтаични преобразуватели. Електрогенериращият ефект възниква на мястото на полупроводниковия p-n преход.

Именно силициевите пластини съставляват основата на себестойността на слънчевите панели, но при използването им като денонощен източник на електроенергия ще трябва допълнително да се купят скъпи акумулаторни батерии.

Панелът се състои от две силициеви пластини с различни свойства. Под действието на светлината в една от тях възниква недостиг на електрони, а в другата – техен излишък. Всяка пластина има токоотвеждащи ленти от мед, които се свързват към преобразувателите на напрежение.

Индустриалният слънчев панел се състои от множество ламинирани фотоволтаични клетки, свързани помежду си и закрепени върху гъвкава или твърда основа.

Ефективността на оборудването зависи до голяма степен от чистотата на силиция и ориентацията на неговите кристали. Именно тези параметри се опитват да подобрят инженерите през последните десетилетия. Основният проблем при това е високата цена на процесите, които стоят в основата на пречистването на силиция и разположението на кристалите в една посока върху целия панел.

Ежегодно максималните КПД на различни слънчеви панели нарастват, защото в изследванията на нови фотогалванични материали се инвестират милиарди долари (+)

Полупроводниците на фотоелектрическите преобразуватели могат да се изработват не само от силиций, но и от други материали – принципът на работа на батерията при това не се променя.

Видове фотоволтаични преобразуватели

Индустриалните слънчеви панели се класифицират според техните конструкционни особености и вида на работния фотоелектрически слой.

Различават се следните видове батерии по типа на устройството:

• гъвкави панели;
• твърди модули.

Гъвкавите тънкослойни панели постепенно заемат все по-голяма ниша на пазара благодарение на своята монтажна универсалност, тъй като могат да се инсталират на повечето повърхности с разнообразни архитектурни форми.

Реалните характеристики на слънчевите панели обикновено са по-ниски от посочените в инструкцията. Ето защо преди тяхното инсталиране у дома е препоръчително сам да видите подобен реализиран проект.

Според вида на работния фотоелектрически слой слънчевите батерии се разделят на следните разновидности:

1. Силициеви: монокристални, поликристални, аморфни.
2. Телурий-кадмиеви.
3. На основата на селенид на индий-мед-галий.
4. Полимерни.
5. Органични.
6. На основата на арсенид на галий.
7. Комбинирани и многослойни.

Интерес за широкия потребителя представляват не всички видове слънчеви панели, а само първите два кристални подвида.

Въпреки че някои други типове панели имат по-висок КПД, поради високата си цена те не са получили широко разпространение.

Кремниевите фотоелектрически елементи са доста чувствителни към нагряване. Базовата температура за измерване на електрогенерацията е 25°C. При повишаването ѝ с един градус ефективността на панелите намалява с 0,45-0,5%.

По-нататък ще бъдат разгледани подробно слънчевите панели, които представляват най-голям потребителски интерес.

Характеристики на силициеви панели

Силицият за слънчеви батерии се изготвя от кварцов прах – смляни кристали от кварц. Най-богатите находища на суровина има в Западен Сибир и Среден Урал, поради което перспективите на това направление на слънчевата енергетика са практически безгранични.

Дори сега кристалните и аморфните силициеви панели заемат вече над 80% от пазара. Затова си струва да ги разгледаме по-подробно.

Монокристални силициеви панели

Съвременните монокристални силициеви пластини (mono-Si) имат равномерен тъмносин цвят по цялата повърхност. За тяхното производство се използва най-чистият силиций. Монокристалните фотоелементи сред всички силициеви пластини имат най-висока цена, но осигуряват и най-добра ефективност (КПД).

Големите монокристални слънчеви панели с въртящи механизми се вписват идеално в пустинни пейзажи. Там се осигуряват условия за максимална производителност.

Високата производствена цена се дължи на сложността на ориентацията на всички кристали на силиция в една посока. Поради такива физически свойства на работния слой максималната ефективност (КПД) се осигурява само при перпендикулярно падане на слънчевите лъчи върху повърхността на пластината.

Монокристалните батерии изискват допълнително оборудване, което автоматично ги завърта през деня, така че равнината на панелите да бъде максимално перпендикулярна на слънчевите лъчи.

Слоевете силиций с едностранно ориентирани кристали се изрязват от цилиндричен блок метал, поради което готовите фотоелектрически блокове имат вид на заоблен по ъглите квадрат.

Към предимствата на монокристалните силициеви батерии се отнасят:

1. Висока ефективност (КПД) със стойност 17-25%.
2. Компактност – по-малка площ за разполагане на оборудването на единица мощност, в сравнение с поликристалните силициеви панели.
3. Издръжливост – достатъчна ефективност на генериране на електроенергия се осигурява до 25 години.

Недостатъците на такива батерии са само два:

1. Висока цена и дълъг срок на изплащане.
2. Чувствителност към замърсяване. Прахът разсейва светлината, поради което при покритите с него слънчеви панели рязко спада ефективността (КПД).

Поради нуждата от директни слънчеви лъчи монокристалните слънчеви панели се инсталират основно на открити площи или на височина. Колкото по-близо е местността до екватора и колкото повече слънчеви дни има в нея, толкова по-предпочитана е инсталацията именно на този тип фотоелектрически елементи.

Поликристални слънчеви батерии

Поликристалните силициеви панели (multi-Si) имат неравномерен по интензивност син цвят поради разнообразната ориентираност на кристалите. Чистотата на силиция, използван при тяхното производство, е малко по-ниска от тази на монокристалните аналози.

Разнонасочеността на кристалите осигурява висок КПД при разсеяна светлина – 12-18%. Той е по-нисък от този в еднонасочените кристали, но при облачно време такива панели се оказват по-ефективни.

Нехомогенността на материала води и до намаляване на себестойността на производството на силиций. Пречистеният метал за поликристалните слънчеви панели без особени ухищрения се излива във форми.

В производството се използват специални технически методи за формиране на кристали, но тяхната насоченост не се контролира. След охлаждане силицият се нарязва на слоеве и се обработва по специален алгоритъм.

Поликристалните панели не изискват постоянна ориентация към слънцето, поради което за тяхното разполагане активно се използват покривите на къщи и промишлени сгради.

През деня при лека облачност предимствата на слънчевите панели от аморфен силиций няма да се забелязват, техните достойнства се разкриват само при гъсти облаци или на сянка (+)

Към достойнствата на слънчевите батерии с разнонасочени кристали се отнасят:

1. Висока ефективност при условия на разсеяна светлина.
2. Възможност за стационарен монтаж върху покриви на сгради.
3. По-ниска цена в сравнение с монокристалните панели.
4. Продължителност на експлоатация – спадът на ефективността след 20 години експлоатация е едва 15-20%.

Недостатъците на поликристалните панели също са налице:

1. Понижен КПД със стойност 12-18%.
2. Относителна обемност – изисква се повече пространство за инсталиране на единица мощност в сравнение с монокристалните аналози.

Поликристалните слънчеви панели завоюват все по-голям пазарен дял сред другите силициеви батерии. Това се осигурява от широките потенциални възможности за намаляване на цената на тяхното производство. Ежегодно се увеличава и КПД на такива панели, като бързо се приближава до 20% при масовите продукти.

Слънчеви панели от аморфен силиций

Механизмът за производство на слънчеви панели от аморфен силиций принципно се различава от изработката на кристални фотоелектрически елементи. Тук се използва не чист неметал, а неговият хидрид, чиито горещи пари се отлагат върху подложката.

В резултат на такава технология класически кристали не се образуват, а разходите за производство рязко намаляват.

Фотоволтаичните елементи от отложен аморфен силиций могат да се закрепват както върху гъвкава полимерна подложка, така и върху твърд стъклен лист.

Към момента съществуват вече три поколения панели от аморфен силиций, като във всяко от тях КПД се повишава значително. Ако първите фотоволтаични модули са имали ефективност 4-5%, то сега на пазара масово се продават модели от второ поколение с КПД 8-9%.

Аморфните панели от последната разработка имат ефективност до 12% и вече започват да се появяват в продажба, но те все още са доста скъпи.

Благодарение на особеностите на тази производствена технология, слой от силиций може да се създаде както върху твърда, така и върху гъвкава подложка. Поради това модулите от аморфен силиций активно се използват в гъвкави тънкослойни соларни модули. Но вариантите с еластична подложка струват много по-скъпо.

Физико-химичната структура на аморфния силиций позволява максимално да поглъща фотоните на слабата разсеяна светлина за генериране на електроенергия. Затова такива панели са удобни за приложение в северните райони с големи свободни площи.

Ефективността на батериите на основата на аморфен силиций не се намалява дори при висока температура, макар че те отстъпват по този параметър на панелите от галиев арсенид.

При еднаква цена на оборудването соларните панели от силициев хидрид показват по-голяма производителност отколкото техните моно- и поликристални аналози (+)

Обобщавайки, могат да се посочат следните предимства на аморфните соларни панели:

1. Универсалност – възможност за изработка на гъвкави и тънки панели, монтаж на батерии върху всякакви архитектурни форми.
2. Висок КПД при разсеяна светлина.
3. Стабилна работа при високи температури.
4. Простота и надеждност на конструкцията. Такива панели практически не се чупят.
5. Запазване на работоспособност в сложни условия – по-малко спадане на производителността при запрашеност на повърхността, отколкото при кристалните аналози

Срокът на експлоатация на такива фотоволтаични елементи, започвайки от второ поколение, съставлява 20-25 години при спадане на мощността с 15-20%. Към недостатъците на панелите от аморфен силиций може да се отнесе само необходимостта от по-големи площи за разполагане на оборудването с необходимата мощност.

Преглед на устройства без силиций

Някои соларни панели, изработени с прилагане на редки и скъпоструващи метали, имат КПД повече от 30%. Те са многократно по-скъпи от своите силициеви аналози, но въпреки това са заели високотехнологична търговска ниша, благодарение на своите особени характеристики.

Слънчеви панели от редки метали

Съществуват няколко типа соларни панели от редки метали, и не всички те имат КПД по-висок от този на монокристалните силициеви модули.

Въпреки това способността да работят в екстремни условия позволява на производителите на такива слънчеви панели да произвеждат конкурентоспособна продукция и да провеждат по-нататъшни изследвания.

Панелите от кадмиев телурид активно се използват при облицовка на сгради в екваториални и арабски страни, където повърхността им се нагрява през деня до 70-80 градуса.

Основните сплави, използвани за производство на фотоволтаични елементи, са кадмиев телурид (CdTe), индиево-медно-галиев селенид (CIGS) и индиево-меден селенид (CIS).

Кадмият е токсичен метал, а индият, галият и телурът са доста редки и скъпи, поради което масовото производство на слънчеви панели на тяхна основа дори теоретично е невъзможно.

КПД на такива панели е на ниво 25-35%, макар че в изключителни случаи може да достигне до 40%. По-рано те се използваха основно в космическата индустрия, а сега се появи нова обещаваща насока.

Поради стабилната работа на фотоволтаичните елементи от редки метали при температури 130-150°C, те се използват в слънчеви топлинни електроцентрали. При това лъчите на слънцето от десетки или стотици огледала се концентрират върху малък панел, който едновременно генерира електричество и осигурява предаването на топлинна енергия на воден топлообменник.

В резултат на нагряването на водата се образува пара, която кара турбината да се върти и да генерира електроенергия. По този начин слънчевата енергия се превръща в електрическа едновременно по два начина с максимална ефективност.

Полимерни и органични аналози

Фотоволтаичните модули на основата на органични и полимерни съединения започнаха да се разработват едва през последното десетилетие, но изследователите вече постигнаха значителни успехи. Най-голям прогрес демонстрира европейската компания Хелиатек, която вече е оборудвала няколко високи сгради с органични слънчеви панели.

Дебелината на нейната ролкова филмова конструкция от типа ХелиаФилм е само 1 мм.

При производството на полимерни панели се използват вещества като въглеродни фулерени, меден фталоцианин, полифенилен и други. КПД на такива фотоволтаични елементи вече достига 14-15%, а производствената цена е няколко пъти по-ниска от тази на кристалните слънчеви панели.

Остро стои въпросът за срока на деградация на органичния работен слой. Засега не е възможно достоверно да се потвърди нивото на неговия КПД след няколко години експлоатация.

Предимствата на органичните слънчеви панели са:

• възможност за екологично безопасно изхвърляне;
• евтино производство;
• гъвкава конструкция.

Към недостатъците на такива фотоволтаични елементи могат да се отнесат относително ниският КПД и липсата на достоверна информация за сроковете на стабилна работа на панелите. Възможно е след 5-10 години всички минуси на органичните слънчеви фотоволтаични елементи да изчезнат и те да станат сериозни конкуренти за силициевите пластини.

Коя слънчева панел да изберете?

Изборът на соларни панели за крайградски къщи на географска ширина 45-60° не е труден. Тук трябва да се разгледат само два варианта: поликристални и монокристални силициеви панели.

При недостиг на място предпочитание трябва да се даде на по-ефективни модели с едностранна ориентация на кристалите, а при неограничена площ се препоръчва закупуване на поликристални батерии.

Не трябва да се ориентирате по прогнозите на аналитичните компании за развитието на пазара на соларни панели, тъй като най-добрите им образци може би все още не са изобретени.

Изборът на конкретен производител, необходимата мощност и допълнително оборудване е най-добре да се извършва с участието на мениджъри на компании, които се занимават с продажба и инсталиране на такова оборудване. Трябва да знаете, че качеството и цената на фотоволтаичните модули при най-големите производители се различават малко.

Трябва да се има предвид, че при поръчка на комплект оборудване „под ключ“, цената на самите соларни панели ще съставлява едва 30-40% от общата сума. Сроковете за изплащане на такива проекти са 5-10 години и зависят от нивото на потребление на енергия и възможността за продажба на излишъците от електроенергия в градската мрежа.

Някои майстори предпочитат да сглобяват соларни батерии сами. На нашия сайт има статии с подробно описание на технологията за изработка на такива панели, тяхното свързване и обустройване на отоплителни хелиосистеми.

Съветваме Ви да се запознаете:

1. Как да направите соларен панел със собствени ръце: инструкция за самостоятелно сглобяване
2. Слънчеви отопителни системи: анализ на технологиите за изграждане на отопление на базата на хелиосистеми
3. Схема за свързване на слънчеви панели: към контролера, към акумулатора и обслужваните системи

Изводи и полезно видео по темата

Представените видеоклипове показват работата на различни соларни панели в реални условия. Те също така ще ви помогнат да се ориентирате в избора на допълнително оборудване.

Правила за избор на соларни панели и допълнително оборудване:

Видове соларни панели:

Тестване на монокристален и поликристален панел:

За населението и малките промишлени обекти реална алтернатива на кристалните силициеви панели засега няма. Но темповете на разработка на нови типове соларни батерии позволяват да се надяваме, че скоро енергията на слънцето ще стане основен източник на електроенергия в много крайградски къщи.

На всички заинтересовани от въпроса за избор и използване на соларни батерии предлагаме да оставят коментари, да задават въпроси и да участват в дискусии. Формата за връзка се намира в долния блок.